红外遥控电风扇

毕业设计（论文）

论文题目：红外遥控电风扇

所属系部：电子工程系

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毕业设计（论文）任务书

题目：红外遥控电风扇

任务与要求：

任务：①收集相关资料完成本课题的开题报告。②根据课题的内容设计电路，并完成电路的安装与调试。③完成本课题中的中英文摘要和本课题的相关内容。④完成论文，并总结课题的不足并改进。⑤思考本课题的不足并加以改进。

要求：①以51系列单片机为核心设计一种新型遥控电风扇控制系统。②此新型风扇可以利用遥控进行远距离的操作。③接收和发射部分应利用红外技术。④完成对此操作系统的硬件设计已经软件部分的流程设计。

时间： 2010 年 8 月31 日至2010 年 10 月 23 日共8 周

所属系部

学生姓名学号：082011－15

专业：

指导单位或教研室：电子信息教研室

指导教师：职称：

摘要

本系统以51系列单片机为核心，目的在于开发一种新型遥控电风扇控制系统，该系统主要有遥控发射模块，风扇接收控制模块组成，使系统可以采用手动或遥控的方式进行控制。遥控的发射模块主要以AT89C51单片机为核心，外加键盘，和红外信号整形与发射电路一切组成遥控器。单片机主要完成信号的编码以及信号与载波的调制，调制信号经发射末端整形放大发射出。接收部分主要以AT89C51为主控中心，配以红外接收模块，电机驱动模块，液晶显示模块，以及相应的指示灯；红外接收模块，键盘，液晶驱动模块，指示灯共同完成人机交互功能；单片机主控中心接收各种输入，驱动液晶，指示灯，控制电机驱动模块来调节电机的转速。电机主要采用PWM无级调速。

关键词遥控电风扇控制系统；红外发射机；红外接收；单片机；PWM无级调速

Abstract

The system is of 51 series single-chip microcomputer as the core, to develop a new type of remote control system, the system fired by remote control module, the fan control module receiving the composition, the system can be remote or manually controlled. Remote Control Transmitter Module AT89C2051 mainly single-chip core, plus a keyboard and infrared signals with the launch of plastic components with a remote control circuit. The main achieve single-chip signal encoding and signal modulation and carrier modulation signal launch the end of the plastic surgery to enlarge the launch.AT89C51 a receiver module for the main control center, with infrared receiver modules, motor drive modules, liquid crystal display module, a common indicator. Achieve human-computer interaction function; single chip main control center to receive a variety of input, drive liquid crystal,led,motor drive control module to adjust the motor speed. Direct PWM motor speed control.

Key words: Emote Fan Control System; Infrared Emission; Infrared Receiver;

Single-chip; PWM Speed Control

目录

1 绪论 (1)

2. 单片机 (2)

2.1单片机简介 (2)

2.2AT89C51简介 (2)

2.2.1 AT89C51 (2)

2.2.2 AT89C51芯片引脚 (3)

2.2.3 AT89C51中断系统 (5)

2.2.4 直接PWM技术的简介 (5)

3.遥控电风扇控制系统设计 (7)

3.1遥控发射部分 (7)

3.2电风扇接收控制板 (8)

3.3发射部分软硬件设计 (9)

3.3.1 发射部分硬件设计 (9)

3.3.2 遥控发射部分软件设计 (12)

3.4.接收部分软硬件设计 (13)

3.4.1接收控制部分硬件设计 (13)

3.4.2 接收控制部分软件设计 (17)

4.仿真与调试 (20)

结束语 (23)

参考文献 (24)

1 绪论

在现实生活中风扇已经是日常生活中常用的电器，电风扇是通过通风换气来去热的。通风是电风扇的主要功能，也是消费者看重它的本质原因。电风扇具有价格低和耗电量小的优点，拥有庞大的目标消费群。现行市场上的风扇大多是手工操作，模拟调控为主要控制手段，价格低廉，功能简单，其智能化及自动化程度远远跟不上现代人的生活需求和应用要求；而且再功耗方面，一般风扇的电机调速方式单一，消费者选择空间不大，而且在效率方面，节能方面的表现的令人不满意。面对着市场压力和消费者的需求，放眼市场。各种特设功能的电风扇可谓是五花八门，各种附加的新功能，彰显了个性，也在无形中提高提高了电风扇的档次。而遥控电风扇也必将作为消费市场的新宠儿，为风扇行业增加新的亮点。而将微控制器嵌入到工业控制中，将会成为一种不可阻挡的趋势，微控制器强大的控制功能力将会使工业产品的功能和性能能有很大的提升。也对应了以下几个趋势，自动化和智能化，无线化，低功耗话等趋势。

单片机和一般的数字和模拟芯片相比有着强大的功能，而且编程简单，因此利用单片机来实现对控制电机转速与类型十分理想。

风扇的控制方法有很多种，比如有简单的利用机械方式进行定时控制，有用模拟和数字电子技术进行转速控制的。随着人们生活水平的提高，人们对风扇的要求也越来越高，不但要求风速能够控制，而且要求风种模式能够多种选择，随着单片机技术的不断发展，单片机已经广泛的用于各种家用电器中，它不仅大大提高了产品原有的产品的性能质量，而且产品成本有所降低，生产也更简便。同时通过单片机可以利用其本身的定与中断功能实现风扇的风种控制，而且风速的控制也有多种方法，但这里采用了通过单片机定时器输出脉宽调制PWM波控制占空比并外加一个由光耦合可控硅组成的驱动电路来控制电机的转速，通过键盘输入设置有不同占空比对应着电风扇的强、中、弱的风速。各功能状态使用液晶和发光二极管来显示。

其次在电机调速方式上，随着加用电器产品变频技术的发展，单相电机的变频调速已经成为一种可行的方法，在这种调速系统中，脉宽调制（PWM）技术仍然是提高调速性能的主要手段，本文针对电风扇电机的调速要求，提出了采用直接PWM软件计算方法，并在51系列单片机AT89C51上实现，此方法很容易实现电机的调速，其PWM算法简单，易于实现，是一种较为实用的方法。

2. 单片机

2.1 单片机简介

单片机是一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一个小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线，同时集成诸如通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。

单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。其次单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用，现代人类生活中几乎每件电子和机械产品中都汇集成有单片机。其次单片机最大的优点是，它是靠序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的一些功能，这是别的器件需要费很大的力气才能做到的。

现如今单片机的适用领域更为广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

2.2 AT89C51简介

2.2.1 AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Program Mabel and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8微处理器，俗称单片机。其部件包括中央处理器、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O 接口电路。图2-1所示是89C51单片机的基本结构图

图2-1 89C51单片机的结构

1.89C51单片机的结构特点有以下几点:

? 8位CPU

?片内振荡器及时钟电路

? 32根I/O线

?外部存储器ROM和RAM,寻址范围个64KB

?两个16位的定时/计数器

?全双工串行口

?布尔处理器

2.定时器/计数器

89C51内部有两个16位的可编程定时/计数器，记为T0和T1。16为是指他们都是16位的触发器构成，可编程是指它们的工作方式由指令来设定，或者但计数器来使用，或者当定时器来用，并且计时的范围也可以有指令来设置。这种控制功能通过定时器的方式控制寄存器TMOD来完成的，如果需要，定时器在计到规定的定时值时可以向CPU发出中断申请，从而完成某种定时功能。在计数状态下同样也可以申请中断。定时器控制寄存器TCON用来负责启动定时的启动，停止以及中断管理。

在定工作中，时钟由单片机内部提供，及系统时钟经过12分频后作为定时器的时钟。计数工作时，时钟脉冲有T0和T1输入。

3.中断系统

89C51的中断系统允许五个独立的中断源，即两个外部中断申请，两个定时/计数器中断以及一个串行口中断。

外部中断申请通过INT0和INT1(即P3.2和P3.3)口输入，输入方式可以是电平触发（低电平有效），也可以是边沿触发（下降沿有效）。两个定时器中断请求是当定时器溢出时向COU提出的，即Array

当定时器有状态1转为全是0时提出的。

第二个中断请求是由串口发出的，串口

每发送完一个数据或者接受完一个数据，

就可以提出一次中断请求。

2.2.2 AT89C51芯片引脚

如图2-2所示

VCC: 提供电压

GND: 接地

P0口：

图2-2 引脚图

P0口为一个8位漏极开路双向I/O

口。每角可以吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写以时，被定为高阻输入。P0能

够用于外部程序存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作

为为源码输入口，当FLASH进行校验时，PO口输出原码，此时P0必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8为双向I/O口，P1口能缓冲能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入一后，被内部上拉为高，可作为输入，被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位有效地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址为高八位。当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并作为输入。

P3口也可以作为AT89C51的一些特殊功能口，如表2-1所示:

表2-1特殊功能口

RST: 复位输入。当振荡器复位期间时，要保证RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:

当访问外部存储器时，地址所存允许的输出电平用于所存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

/PSEN:

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。注意加密方式为1时，/EA将内部锁定为RESET，当/EA保持高电平时，此间为内部程序存储器。在LIASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。

XTAL1: 反相振荡放大器的输入以及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2: 来自反相振荡器的输出.

2.2.3 AT89C51中断系统

所谓中断，是指当计算机执行正常程序时，系统中出现某些紧急需要处理的异常情况和特殊请求时，CPU暂时执行现行程序，转去对随即发生的更紧迫的事件进行处理，处理完毕后，CPU自动返回原来的程序继续执行。

中断允许软件设计不需要关心系统其他部分定时要求，算术程序不需要考虑隔几个指令检查I/O设备是否需要服务。相反，算术程序编写时好像有无限时间作算术运算而无其它工作在进行。若其它事件需要服务时，则通过中断告诉系统。

89C51单片机有五个中断源，有两个中断优优先级，每个中断源的优先级可以编程控制。中断允许受到CPU开中断和中断源开中断的两级控制。

2.2.4 直接PWM技术的简介

在电机调速方式上，随着家用电器产品变频技术的发展，单相电机的变频调速已成为一种可行的方法，在这种调速系统中，脉宽调制(PWM)技术仍然是提高调速性能的主要手段。虽然PWM技术实现方法很多，然而，为了降低产品的制造成本，采用微机控制软件实现PWM控制具有成本低，调速方式灵活等特点，比较适合家用电器产品要求。本设计针对电风扇的电机调速要求，提出了采用直接（PWM）软件计算方法，并在51系列单片机AT89C51上实验，该方法很容易实现电机的调速，其算法简单，易于实现，是一种较为实用的方法。

脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

常用PWM技术的基本原理是利用高频载波与控制波进行比较，从而产生经过调制的PWM波。为满足逆变电源的需要，减小输出电压的谐波含量，载波信号采用对称的三角波实现PWM输出波形的对称双边调制，使得输出电压不含偶次谐波。

用软件产生PWM波形的算法有很多种，如：采样SPWM法、均值PWM法、直接PWM法等，其中SPWM法有三种不同形式：对称规则采样SP2WM、非对称规则采样SPWM、平均对称规则采样SPWM，以平均对称规则采样SPWM德算法简单，应用较为广泛。SPWM的主要缺点就是电源电压利用率不够高，即输出电压不高。均值PWM法的基本思想是根据等面积PWM控制方法的原理，选择最佳脉冲中心线位置，使得其PWM波形的谐波成分量小，均值PWM法具有微机实现简单法变得优点，且对各次谐波的抑制均有很好的效果。直接PWM法与均值PWM法类似，也是使相同时间间隔内的PWM波的面积与调制波的面积相等，其主要的优点是在调制比固定时，控制规定正比于调制深度而反比于输出频率，特别适用于电机的控制，因此本文选择直接PWM法。

直接PWM法的调制原理如图2-3所示：假定一个周期内PWM波的脉冲数（即载波比）为2N

图2-3直接PWM的调制原理

将参考波Um sinxt的整个周期T分为2N份，则每个区间长度即载波周期为T

S

=T/2N，在第i个区间的波形面积为：

Sri=∫

(i-1)Ts

Umsinwdt=Um/w[cos（i-1）/N-cos(i/N) ] （2.1）

设输出PWM波的幅值为E,若采用单极性调制，则第i个区间内的PWM波所围成的面积为：

S pi =ET

pi

（2.2）

若采用双极性调制，则第i个区间的PWM波围成的面积为：

S pi =Et

pi

+(-E)2

gi

（2.3）

式中，Tpi为脉冲宽度，考虑到有Ts=Tpi+2T gi，则令S ri=Spi

由（1）和（2）整理得：

T

pi

=Um/wE[cos（i-1）/N-cosi/N] (2.4)

由式（1）和式（3）整理得：

T

pi

=Ts/2+Um/2we[cos（i-1）/N-cosi/N] (2.5)

若令§

i

= cos（i-1）/N-cosi/N (2.6)

K= Um/we=M/w (2.7)

式中M=Um/E,为调制深度，由式（4）或（5）可以分别计算出PWM的脉冲换相点的公式为：

T pi =k§

i

i=1,2,…,N （2.8）

T gi =1/2(T

s

-Tp

i

) i=1,2,…,N

T pi =1/2(T

s

+ k§

i

) i=1,2,…,N （2.9）

T gi =1/2(T

s

-T

pi

) i=1,2,…,N

iTS

由图一可知道，等面积PWM法生成的PWM波形式点对称的，因而可以推导出：

T pi = T

p (i-N）

i=N=1,N=2, (2)

T

gi =T

g(i-N）

i=N=1,N=2, (2)

在上述计算公式中，式（2.8）为单极性调制，式（2.9）为双极性调制。在计算过程

中，虽然Di的表达式包含三角函数的计算，但它仅与N有关，一旦N确定后，可事先将计算好的Di存入内存中，需要时通过查表即可或取。从K的表达式可以看出，K正比于调制深度而反比于基波频率X。这对电机的变频调速系统，通常使用U/f比为常数来表达恒转矩控制，即只需要使K值为一个常数即可。

此外PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一.

相关应用领域:

PWM控制结束主要应用在电力电子技术行业,具体讲,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域。

3.遥控电风扇控制系统设计

3.1遥控发射部分

为了能够远距离控制电风扇，采用了红外遥控器。通常红外遥控器由发射和接受两部分组成，发射部分由单片机80C2051等构成。接受部分由单片机89C51等构成。

1.工作原理及组成部分

（1）CPU采用AT89C2051单片机，AT89C2051的功能；和MCS-8051产品兼容、2KB 可以重编辑闪速存储器、耐久性：1000写/擦除周期、2.7V—6V的操作范围、全静态操作：0HZ—24HZ、两级加密程序存储器、128*8位内部RAM、15根可编程I/0引线、6个中断源、可编程串行UART通道、直接LED驱动输出、片内模拟比较器、低耗空载和掉电方式。

（2）电源采用5V电源来提供电源

（3）发射部分原理如图3-1所示：

图3-1遥控发射原理框图

2．遥控发射器部分具体功能

发射部分包括键盘、编码调制、红外发射器。使用89C2051芯片将按键信号调制在38KHZ的载波信号上通过三极管放大或发射出去。红外编码为：全码=引导码+系统吗+数据码。89C2051的P1口构成键盘用T1产生定时中断，产生一个38K的方波，作为红外线的调制基波。将发送的数据和载波进行逻辑以后，经过40106整形，用三极管驱动红外发射器发射。

3.2电风扇接收控制板

1．工作原理及组成部分：红外接受部分包括光电转换放大器，解调，解码电路。

（1）CPU板将单片机，控制和键盘组合在一起完成了人机对话。用AT89C51单片机来作主芯片控制，采用红外HS0038B作为接受头，用双向可控硅MOC3025控制电机调速，具有红外遥控功能。

（2）电源部分：交流220V经变压器降为16V，经整流桥整流后在由三端稳压器LM7805稳压，供给接受控制板。

（3）电风扇控制板框图如图3-2所示：

图3-2电风扇控制板图

2．设计方案

（1）工作方式：分为手动和遥控两种方式。由四种自然风模式。

（2）红外遥控输入在P3.2（INT0）,面板按键在P3.3（INT1）.液晶和LED指示灯显示状态信息。

3.3 发射部分软硬件设计

3.3.1 发射部分硬件设计

1．键盘设计

（1）如图3-3所示，5个按键通过二极管接到P32外中断0的引脚，当任何一个按键按下，将会产生外部中断，在外部中断服务子程序里可以读取键值，这样的设计简化程序设计，且实现睡眠状态下唤醒CPU，实现节能的目的。

图3-3 键盘原理图

（2）按键功能

K1:开/关机；键值为01H

K2:手动模式的加速键，键值为02H

K3:手动模式的减速键，键值为03H

K4：自然风、睡眠风、正常风，手动模式切换键，键值为04H

K5：定时，键值为05H

（3）当无按键按下时，延时10秒后进入空闲转态，系统处于低功耗模式。当有按键按下时，INT0中断产生中断，同时唤醒CPU进行工作状态。

2.红外发射电路的设计

（1）要发射的码经单片机编码并与载波调制后由P3.3口输出到CD40106整形后到三极管放大器由发射头TSAL6200发射出去。下方的LED在信号发射时会闪烁，指示信号正在发送。如图3-4所示：

图3-4 电路红外发射

（2）红外发射的编码方式

遥控发射器专用的芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，这里采用Philips公司出品的遥控芯片SAA3010T 的编码解码协议，此种芯片所采用的协议时双相位编码协议，当发射器按键按下以后，即有遥控码发出，所按的按键不一样遥控的编码也不一样，这种遥控具有以下特征：

A.位一和位零的相位正好是相反的，遥控器发射的位一用低电平到高电平来表示，位

0用高电平到低电平表示，每个电平占0.8255ms，这样，一个完整的位就占有

0.8255*2=1.651ms，“0”和“1”组成的32位二进制码经38MHZ的载频进行二次调制

病提高发射效率，达到降低电源功耗的目的，然后再通过红外发射二极管发射。

B.当点按按钮时，遥控器会发射完整的一帧，一帧包括2位的起始位，1位控制位，

5位的系统码和6位的指令。

C.其相关图形如图3-5和图3-6所示：

图3-5 逻辑0和1的编码

图3-6 帧数据的结构

（3）AT89C2051最小系统电路，如图3-7所示，包括复位电路，振荡电路等。系统在高电平时复位。

图3-7 最小系统电路

3.3.2 遥控发射部分软件设计

遥控发射部分的主要功能是有按键按下时，将按键值发送到接收方，这当中要完成键盘的读取，载波的产生，编码调制，最终输出调制波。

采用中断的处理程序完成整个系统的操作，当有按键按下时，产生外部中断0，外部中断0处理完成键盘的读取，接着定时器0中断服务子程序负责编码，定时器1中断服务子程序负责产生载波并将载波于信号调制，调制波经引脚输出。主程序之负责延时10S，若无按键按下，则进入休眠状态，以节省电能。

1．主程序和外中断0服务子程序流程，如图3-8所示：

图3-8 主程序和外中断0服务子程序流程

2．定时器0和定时器1中断服务子程序流程，如图3-9所示：

图3-9 定时器0和定时器1中断服务子程序流程

3.4.接收部分软硬件设计

3.4.1接收控制部分硬件设计

1．键盘的设计

如图3-10所示：发射部分的键盘大体相同，使用外中断0；同时可以在睡眠状态下唤醒CPU，可以使用节能模式。

图3-10 键盘设计

（1）各按键作用

K1:开/关机；相应的指示灯亮

K2:手动模式的加速键，相应的指示灯亮

K3:手动模式的减速键，相应的指示灯亮

K4：自然风、睡眠风、正常风，手动模式切换键，相应的指示灯亮，参见（图3-12,3-13,3-14）

K5：定时30分钟，1小时，1.5小时,2小时,2.5小时,3小时,3.5小时,4小时，如图3-11所示：

图3-11 定时流程图

（2）吹风模式选择

自然风的处理流程如图3-12所示：

图3-12 自然风处理流程

睡眠风的处理流程如图3-13所示：